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AR(Augmented Reality)-HMD의 목표는 디지털 세계와 물리적 세계를 연결하여 정보 접근성 향상, 오류 가능성 감소, 동기 부여 증진 및 인간의 인지 과정을 개선하는 것이다. 실제 AR-HMD를 사용하여 인지 과정을 개선시킨 부분도 있지만 반대로 인지 과부하로 인해 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 점이 밝혀졌다(Doswell & Skinner, 2014). Sabelman & Lam(2015)의 연구에 따르면 HMD를 사용하면 사용자에게 시각적 분산이 일어나서 외부 환경에 즉각적인 대응이 둔해지게 되며 외부 자극에 느리게 반응하였다. 외부 환경과 사용자 행동을 고려하여 인지 과부하가 오지 않는 적절한 HMD를 설정하는 것이 중요하다. 특히 보행 환경은 일상적이고 일반적인 행동이며 동시에 다양한 인지적 능력이 있어야 하는 복잡한 활동이다(Yogev-Seligmann et al., 2007b). 따라서 HMD 보행 환경에 대한 심도 있는 연구가 필요하다.

보행 중 HMD의 문제점은 스마트폰 사용의 부정적인 영향을 통해 예측할 수 있다. 보행 도중 스마트폰을 사용하면 외부 반응에 둔해져 사고가 발생하는 경우가 많다(Lin & Huang, 2017). 내국인을 대상으로 보행 중 스마트폰 사용 인식 조사 결과, 조사 대상자의 95.7%가 걷는 동안 스마트폰을 사용하였고 이들 중 20%는 사고가 발생할 뻔한 경험이 있다고 밝혔다(교통안전공단, 2016). 스마트폰을 사용하면서 보행 시 안정성 측면에서 일반적인 걷기 활동에 비해 다리 관절 각도의 변동성이 줄어들며 경로를 유지하는 능력이 저하되어 사고 위험성이 증가하였다(Kao et al., 2015). 걸을 때 불필요한 기기들을 사용하는 것은 바람직하지 않지만, 많은 사람이 이동 중에 모바일 기기를 사용하는 것이 현실이다.

해당 현상은 HMD 환경에서도 동일하게 나타날 것으로 예측되며 보행 환경에서의 최적화를 위한 연구들이 진행되고 있다. HMD 사용은 스마트폰이나 책과 같이 보행에 부정적인 영향을 미쳤지만, 피험자들이 HMD 환경에 맞는 보행 전략을 수립하여 위험성을 줄일 수 있었다(Sedighi et al., 2018).

또한 보행 환경에서 HMD 인터페이스에서는 사용자들을 자동으로 따라오게 하는 방법이 선호된다고 보고되었다(Lages & Bowman, 2019). 하지만 HMD 인터페이스의 다양한 속성이 보행에 미치는 영향에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 HMD 인터페이스 속성 차이에 따른 보행자 영향 평가 연구가 필요하다.

HMD 인터페이스 속성은 사용자 경험에 영향을 미치는 속성이다. 특히 인터페이스의 위치와 불투명도는 외부 환경을 가리는 직접적인 요인이 될 수 있어 보행 성능에 영향을 줄 뿐만 아니라 사용자 경험적인 측면에도 영향력을 미치는 요소이다(Sabelman & Lam, 2015). HMD 인터페이스 위치 연구는 사용자에게 과도한 산만함을 주지 않으면서 동시에 눈에 띄게 하는 것을 목표로 연구가 진행되고 있다. Chua, S. H. et al.(2016)은 자동차 운전 중 9가지 위치에 따라 알람에 반응하는 속도와 선호도를 조사하였다. 조사 결과 위치에 따라서 유의미한 반응속도 차이가 있으며 선호도에 대한 차이가 나타났다. Rzayev, R. et al.(2020)은 대화하는 상황에서 HMD 인터페이스가 자리한 중앙 오른쪽 상단의 2가지 위치에 따른 사용자 인식을 조사하여 그 차이를 알아보았다. 위치에 대한 선행 연구들에서는 각각의 논문마다 특정 선호되는 위치가 제시되었지만 특정한 시나리오에 대한 연구이기 때문에 보행 환경에 그대로 적용하는 데는 한계가 존재한다.

HMD 인터페이스의 불투명도 연구는 가상 인간의 불투명도에 따라 사용자가 가상 인간에게 인간성을 얼마나 느끼는지에 대해 조사한 연구와, 불투명도에 따라 가상 객체의 깊이 지각 능력을 평가한 연구들이 있는 것으로 조사된다(Ping et al., 2020; Peck et al., 2022). 기존의 불투명도 연구는 optical see-through(OST) 환경에서 연구를 진행하였다. OST 환경의 경우 불투명한 반사판에 가상 객체를 표시하여 보는 방식으로 불투명도를 정확하게 통제하기 어렵다. 이에 비해 video see-through(VST) 환경은 카메라를 통해 외부 세계를 촬영 후 가상 객체를 합성하여 스크린에 표현하는 방식으로 가상 객체의 불투명도값을 완벽하게 통제할 수 있다. 또한 현재 보급형 extended reality(XR) 장비의 확산으로 VST 환경이 대중화되어 VST 환경에 심도 있는 연구가 필요한 상황이다.

보행 환경 연구는 보행 속도, 보폭, 오류 횟수와 같은 객관적인 데이터뿐만 아니라 인지적 부하와 같은 주관적인 평가를 통해 연구되고 있다(Al-Yahya et al., 2011; Hoang et al., 2020). 인지 부하의 세부 개념인 정신적 부하는 과도한 정신적 요구로 발생하는 피로 현상으로 신체적 피로와 달리 정신적 스트레스로 인해 발생한다. 정신적 부하가 심하면 수행력이 감소하고 사고의 원인이 될 수 있다(García et al., 2021). 증강현실과 보행 연구에서도 정신적 부하 개념을 사용하는 연구를 찾을 수 있다(Nenna, Zorzi, and Gamberini, 2021).

HMD 환경 연구로는 만족도 측정을 통해 사용자 경험을 평가한 연구들이 많이 존재한다(Dutta et al., 2021). 만족도는 사용성의 요소 중 하나로 사용자 만족도가 높으면 동기 부여가 상승하여 시스템을 다시 사용하게 만들 수 있는 요인이다. 만족도를 측정하기 위한 대표적인 도구로 System Usability Scale(SUS), Software Usability Measurement Inventory(SUMI), Questionnaire User Interface Satisfaction(QUIS)을 사용하였다. 하지만 위 평가 도구들은 소프트웨어와 사용자의 상호작용에 대한 평가를 포함하고 있어서 인터페이스 속성 값의 영향에 대해서만 알아보기에는 한계가 있다.

본 실험에서는 기존 설문문항의 제한점을 극복하기 위해 QUIS에서 인터페이스만을 평가하는 문항과 SUS의 전반적인 만족도를 알아보는 문항들을 토대로 실험에 맞게 수정하였으며 정신적 부하는 Cheng(2016)의 연구를 참조하여 개발했다. 이 실험은 증강현실 책을 읽을 때 학생들의 반응을 알아보는 연구로 인지적 부담, 동기, 통제력, 유용성을 평가하였다. 정신적 부하에는 인지적 부담에 대한 세부 항목 설정되어 있다. 위 연구에서 나온 정신적 부하에 대한 질문이 실험에 적합하다고 판단하여 해당 문항을 토대로 설문지를 개발하였다.

AR-HMD 환경은 사람들의 정보 접근성 향상, 동기 부여 증진과 같은 사람의 인지 과정을 개선할 뿐만 아니라 인지 과부하와 같은 부정적인 영향을 미칠 수 있는 환경이다. 이러한 영향은 사람의 행동, 외부 환경에 따라 달라질 수 있어 다양한 환경에 대한 연구가 필요하다. 특히 보행은 사람들이 일상 속에서 반복적으로 하는 행동이면서 동시에 인지적 노력을 많이 필요로 하는 행동이다. 보행 도중 스마트폰 사용이 이미 사회적 문제로 발생하고 있듯 HMD 대중화에 대비하여 보행 도중 HMD를 사용할 때 생기는 영향에 대해서 심도 있는 연구가 이뤄지고 있다.

본 연구는 보행 환경을 고려한 HMD 인터페이스의 위치와 불투명도 변화에 따른 디자인 평가를 목표로 설정했다. OST 환경이 아닌 VST 환경에서 실험하여 OST 환경이 가지고 있는 한계점을 보완하였으며 보행 환경과 HMD 인터페이스의 최적화값을 구하기 위해 높은 만족도를 가지면서 낮은 정신적 부하를 가지는 값을 찾고자 하였다.

실험 장비는 META에서 개발한 XR HMD인 Quest Pro를 사용하였다. 실험에 필요한 자극물은 마이크로소프트에서 개발한 Mixed Reality Toolkit(MRTK)을 통해 개발하였다. 자극물 제작은 Unity 2021.3.8.f1을 사용하였고 프로젝트는 APK로 추출 후 META Quest Developer Hub를 통해 Quest Pro에 적용하였다.

실험 설계는 피험자 내 설계(Within-Subject)로 VST 기반 AR HMD 환경에서 사용자들이 걸어 다니면서 동영상을 시청 후 인터페이스 속성 차이에 따른 사용자의 만족도와 정신적 부하 설문지에 응답하도록 하였다. 동영상 인터페이스 속성 중 가장 만족도가 높으면서 정신적 부하가 낮은 값을 찾는 것을 실험 목표로 하였다. 인터페이스 속성은 위치 변수 2가지와 불투명도 변수 3가지 총 6가지로 자극물을 제작하였다. 각 자극물은 1번 자극물(위치: 중앙, 불투명도: 33%), 2번 자극물(위치: 중앙, 불투명도: 66%), 3번 자극물(위치: 중앙, 불투명도: 100%), 4번 자극물(위치: 하단, 불투명도: 33%), 5번 자극물(위치: 하단, 불투명도: 66%), 6번 자극물(위치: 하단, 불투명도: 100%)로 구성되어 있다(Figure 1). 중앙 위치는 사용자의 눈과 평행함을 의미하고 하단은 눈을 기준으로 27° 아래의 기울기이다. 그 외 고정값들은 다음과 같다. 보행 시 목의 움직임에 따라 인터페이스가 흔들리는 현상을 보정하기 위해 수평 움직임 임곗값은 5°, 수직 움직임 임곗값은 10°로 설정하였다. 영상을 감상하는 인터페이스의 크기는 10.2인치, 인터페이스와 눈 사이의 거리는 50cm로 고정했다.

Figure 1 Image of each experimental variable; note. Pos M=middle, Pos B=bottom, Op=opacity

피험자는 교내 포스터와 웹사이트를 사용하여 모집하였다. 모집된 대학생과 대학원생을 대상으로 연구에 대해 충분한 설명을 하고 연구에 동의하는 학생들을 편의표집 하여 총 29명(남성 17명, 여성 12명)을 피험자로 선정하였다. 피험자의 HMD에 대한 관심도는 전혀 관심 없다 6.9%, 관심 없다 13.8%, 보통이다 17.2%, 관심 있다 37.9%, 매우 관심 있다 24.1%로 나타났으며 HMD의 착용 횟수는 거의 매일 3.4%, 1주일에 1회 3.4%, 6개월에 1회 31%, 1년에 1회 이하 48.3%, 착용해 본 적 없다 13.8%로 조사되었다. 피험자 중 절반 이상이 HMD에 대해서 기존에 관심을 가지고 있었으나 피험자의 80% 이상이 HMD를 착용해 본 적 없거나 1년에 1회 이하, 6개월에 1회 이하인 적은 경험을 가진 것으로 파악되었다. 참가자의 동기 부여 향상을 위해 실험 참가 시 1만원 상당의 기프티콘을 제공하였다.

실험 시간은 약 30분 동안 진행되었다. 참가자들은 실험의 목적과 HMD 장비의 착용 방법에 대해 안내를 받고, 인적 사항 작성을 마친 후 자극물 체험을 시작했다. 체험은 참가자들이 3분 길이의 흥미로운 영상을 시청하면서 25미터 거리를 시간 제약 없이 왕복으로 걷는 것으로 구성되었다. 보행 환경은 통제되지 않은 실내 복도였으며, 참가자들은 필요에 따라 속도를 조절하거나 멈출 수 있었다(Figure 2). 자극물 체험 후에는 각 체험이 끝날 때마다 만족도 5문항, 정신적 부하 2문항으로 이루어진 설문지에 응답하였고, 이 과정은 총 6회 반복되었다. 실험 순서는 순서 효과를 최소화하기 위해 콘텐츠와 설문지 문항의 순서를 무작위로 배정하였다.

Figure 2 The participants were instructed to wear the Meta Quest Pro and move to a predetermined location, after which they were directed to walk a round trip along a 25-meter corridor without any time constraints.

다음 연구 질문(RQ)이 연구 설계의 기준이 되었다: 보행 환경을 고려한 인터페이스의 위치와 불투명도 값의 최적값은 무엇인가?

위의 연구 질문을 토대로 3가지 가설을 세웠다.

• h1: 보행 도중 비디오 스크린 인터페이스의 위치는 만족도와 정신적 부하에 유의한 영향을 미친다.
• h2: 보행 도중 비디오 스크린 인터페이스의 불투명도는 만족도와 정신적 부하에 유의한 영향을 미친다.
• h3: 보행 도중 비디오 스크린 인터페이스의 위치와 불투명도 상호작용은 만족도와 정신적 부하에 유의한 영향을 미친다.